TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE. Obrázek 1: Volba souřadnicového systému

Podobné dokumenty
Rozdíly mezi MKP a MHP, oblasti jejich využití.

Nosné desky. 1. Kirchhoffova teorie ohybu tenkých desek (h/l < 1/10) 3. Mindlinova teorie pro tlusté desky (h/l < 1/5)

Nelineární problémy a MKP

OTÁZKY K PROCVIČOVÁNÍ PRUŽNOST A PLASTICITA II - DD6

Analýza napjatosti PLASTICITA

Cvičení Na těleso působí napětí v rovině xy a jeho napěťový stav je popsán tenzorem napětí (

FAKULTA STAVEBNÍ. Telefon: WWW:

PRUŽNOST A PEVNOST II

Rovinná úloha v MKP. (mohou být i jejich derivace!): rovinná napjatost a r. deformace (stěny,... ): u, v. prostorové úlohy: u, v, w

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Cvičení 1. Napjatost v bodě tělesa Hlavní napětí Mezní podmínky ve víceosé napjatosti

Nejpoužívanější podmínky plasticity

FAKULTA STAVEBNÍ NELINEÁRNÍ MECHANIKA. Telefon: WWW:

4. Napjatost v bodě tělesa

Nauka o materiálu. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

Vlastnosti a zkoušení materiálů. Přednáška č.4 Úvod do pružnosti a pevnosti

7. Základní formulace lineární PP

Zpráva pevnostní analýzy

Nejpoužívanější podmínky plasticity

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost

Přednáška 08. Obecná trojosá napjatost. Napětí statické rovnice Deformace geometrické rovnice Zobecněný Hookeův zákon Příklad zemní tlak v klidu

Zpráva pevnostní analýzy

Kap. 3 Makromechanika kompozitních materiálů

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Kontraktantní/dilatantní

16. Matematický popis napjatosti

7 Lineární elasticita

Základy matematické teorie pružnosti Tenzor napětí a tenzor deformace Statické (Cauchyho) rovnice. Geometrické rovnice

ÚVOD DO MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Cvičení 7 (Matematická teorie pružnosti)

Obecný Hookeův zákon a rovinná napjatost

Dvě varianty rovinného problému: rovinná napjatost. rovinná deformace

Vícerozměrné úlohy pružnosti

Technologie a procesy sušení dřeva

12. Prostý krut Definice

Kritéria porušení laminy

Pružnost a plasticita II CD03

Pružnost a pevnost I

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

Zjednodušený 3D model materiálu pro maltu

Autor: Vladimír Švehla

b) Křehká pevnost 2. Podmínka max τ v Heigově diagramu a) Křehké pevnosti

Obr. 0.1: Nosník se spojitým zatížením.

1 Ohyb desek - mindlinovské řešení

Prostorové konstrukce. neznámé parametry: u, v w. (prvky se středostranovými uzly)

Nelineární analýza materiálů a konstrukcí (V-132YNAK) Přednáška 2 Princip metody konečných prvků

Zde je uveden abecední seznam důležitých pojmů interaktivního učebního textu

KONSTITUČNÍ VZTAHY. 1. Tahová zkouška

STAVEBNÍ MECHANIKA 3 - SM 3

6.1 Shrnutí základních poznatků

PRUŽNOST A PLASTICITA I

STAVEBNÍ MECHANIKA 3 - SM 3

trubku o délce l. Prut (nebo trubka) bude namáhán kroutícím momentem M K [Nm]. Obrázek 1: Prut namáhaný kroutícím momentem.

Mechanické vlastnosti technických materiálů a jejich měření. Metody charakterizace nanomateriálů 1

OTÁZKY VSTUPNÍHO TESTU PP I LS 2010/2011

21. Úvod do teorie parciálních diferenciálních rovnic

písemky (3 příklady) Výsledná známka je stanovena zkoušejícím na základě celkového počtu bodů ze semestru, ze vstupního testu a z písemky.

2.2 Mezní stav pružnosti Mezní stav deformační stability Mezní stav porušení Prvek tělesa a napětí v řezu... p03 3.

Přednáška 1 Obecná deformační metoda, podstata DM

Přednáška 01 PRPE + PPA Organizace výuky

PRUŽNOST A PLASTICITA

3.2 Základy pevnosti materiálu. Ing. Pavel Bělov

ČVUT UPM 6/2013. Eliška Bartůňková

Téma 2 Napětí a přetvoření

Porušení hornin. J. Pruška MH 7. přednáška 1

Numerické modelování v aplikované geologii

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

Pružnost a pevnost (132PRPE) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady. Část 1 - Test

8. Základy lomové mechaniky. Únava a lomová mechanika Pavel Hutař, Luboš Náhlík

vztažný systém obecné napětí předchozí OBSAH další

ANALÝZA KONSTRUKCÍ. 5. přednáška

PRUŽNOST A PLASTICITA

Metoda konečných prvků Základy konstitutivního modelování (výuková prezentace pro 1. ročník navazujícího studijního oboru Geotechnika)

Betonové konstrukce (S) Přednáška 3

Téma 1 Úvod do předmětu Pružnost a plasticita, napětí a přetvoření

Typy nelinearit. jen v tahu (jen v tlaku), pružnost, plasticita, lomová mechanika,... ), geometrická nelinearita velká posunutí, pootočení.

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

Předpjatý beton Přednáška 9. Obsah Prvky namáhané smykem a kroucením, analýza napjatosti, dimenzování.

Princip virtuálních prací (PVP)

Ztráta stability tenkých přímých prutů - vzpěr

9.1 Definice a rovnice kuželoseček

Mechanika s Inventorem

Pružnost a plasticita CD03

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

Momenty setrvačnosti a deviační momenty

Princip virtuálních posunutí (obecný princip rovnováhy)

Martin NESLÁDEK. 14. listopadu 2017

Téma 12, modely podloží

Pružnost a plasticita II DD6

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

1.1 Shrnutí základních poznatků

Přednáška 01 Úvod + Jednoosá napjatost

Pružnost a pevnost (132PRPE), paralelka J2/1 (ZS 2015/2016) Písemná část závěrečné zkoušky vzorové otázky a příklady.

POŽADAVKY KE ZKOUŠCE Z PP I

Lineární stabilita a teorie II. řádu

Prizmatické prutové prvky zatížené objemovou změnou po výšce průřezu (teplota, vlhkost, smrštění )

Tvorba výpočtového modelu MKP

Prvky betonových konstrukcí BL01 3. přednáška

Osové a deviační momenty setrvačnosti ploch (opakování ze 4. cvičení) Momenty setrvačnosti k otočeným osám Kroucení kruhových a mezikruhových průřezů

Transkript:

TENSOR NAPĚTÍ A DEFORMACE Obrázek 1: Volba souřadnicového systému Pole posunutí, deformace, napětí v materiálovém bodě {u} = { u v w } T (1) Obecně 9 složek pole napětí lze uspořádat do matice [3x3] - TENSOR NAPĚTÍ Pokud je těleso namáho pouze povrchovým a objemovým silovým zatížením (momentové zatížení není uvažováno), pak z momentových podmnínek rovnováhy vyplývá, že tensor napětí je symetrický - věta o vzájemnosti smykových napětí [σ] = σ x τ xy τ xz τ xy σ y τ yz τ xz τ yz σ z (2)

Obecně 9 složek pole deformace lze uspořádat do matice [3x3] - TENSOR DEFORMACE ε x ε xy ε xz [ε] = ε xy ε y ε yz (3) ε xz ε yz ε z Pozn. Složky tensoru, podobně jako složky vektoru, závísí na volbě souřadnicového systému. Transformační vztah pro vektory Mějme dva souřadnicové systémy x, y, z a x, y, z a materiálový bod P o souřadnicích {x P } = {x P, y P, z P } T. Vyjádření bodu P v pootočených souřadnicích x, y, z obdržíme aplikací transformační matice [T] ve tvaru Obddobně transformujeme vektor (tensor 1. řádu) posunutí {x P } = [T] {x P }. (4) {u} = [T] {u}. (5) Transformační vztah pro tensory - připomeňme transformaci tensoru setrvařnosti Říkáme, že matice [A] typu [3x3] je tensor 2. řádu, pokud se její složky transformují podle následujícího transformačního vztahu [A] = [T] T [A] [T]. (6) Pozn. - transformační matice [T] je matice ortogonální, neboť platí [T] 1 = [T] T.

Jako příklad uvažujme transformační matici [T] pro případ rovinné deformace (τ xz = τ yz = 0). cos α sin α 0 [T] = sin α cos α 0 (7) 0 0 1 Vektorová representace tensoru napětí a deformace Vzhledem k symetrii tensorů napětí a deformace lze tyto veličiny přepsat do vektoru ve tvaru {σ} = { σ xx σ yy σ zz τ yz τ zx τ xy } T (8) Pozn. - poznamenejme, že {ε} = { ε xx ε yy ε zz γ yz γ zx γ xy } T (9) γ xy = 2ε xy. Hustota potenciální energie deformace W (skalár) {σ} = W {ε} W = 1 2 {ε}t [D] {ε} = 1 2 {σ}t {ε} (10) kde matice [D] (obecně [6x6]) je materiálová matice tuhosti. Vzhledem ke vztahu (10) lze ukázat, že matice tuhosti [D] = [C] 1 je symetrická. Matici [C] nazýváme maticí poddajnosti.

DEFINICE INVARIANTNÍCH MÍR POLÍ NAPĚTÍ A DEFORMACE Operátorové matice {m}, [P], [Q] {m} = { 1/3 1/3 1/3 0 0 0 }T [P] = 2/3 1/3 1/3 0 0 0 1/3 1/3 2/3 0 0 0 1/3 2/3 1/3 0 0 0 [Q] = 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 2 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 (11) 0 0 0 1/2 0 0 0 0 0 0 1/2 0 0 0 0 0 0 1/2 Vzájemné vztahy {m} T [Q] {m} = {m} T {m} = 1 3 [P] [Q] [P] = [P] [P] [Q] {m} = {0} (12)

DEFINICE INVARIANTNÍCH MÍR POLÍ NAPĚTÍ A DEFORMACE Pozn. - Invariantní veličina je veličina, která na rozdíl od tensorů a vektorů nezáleží na volbě souřadnicového systému. Střední napětí σ m σ m = {m} T {σ} = 1 3 (σ x + σ y + σ z ) = 1 3 (σ 1 + σ 2 + σ 3 ) (13) Složky deviátorového pole napětí Objemová deformace ε v Složky deviátorového pole deformace {s} = {σ} 3{m}σ m (14) {s} = [P] [Q] {σ} (15) ε v = 3{m} T {σ} = ε x + ε y + ε z = ε 1 + ε 2 + ε 3 (16) {e} = {ε} {m}ε v (17) {e} = [P] [Q] {ε} (18) První invarianty tensorů deviátorových napětí a deformace I 1s, I 1e I 1s = s x + s y + s z = s 1 + s 2 + s 3 = 0 (19) I 1e = e x + e y + e z = e 1 + e 2 + e 3 = 0 (20)

DEFINICE INVARIANTNÍCH MÍR POLÍ NAPĚTÍ A DEFORMACE Druhý invariant tensoru deviátorových napětí J 2 = I 2s J 2 = I 2s = 1 2 {s}t [Q] 1 {s} (21) J 2 = I 2s = 1 2 {σ}t [P] {σ} (22) Lodeův úhel θ [ ( 1 θ = tan 1 3 2 σ )] ( 2 σ 3 1 = 1 σ 1 σ 3 3 arcsin 3 3 2 I 3s J 3 ) (23) J = J 2 I 3s = det [s] (24) Ekvivalentní míry tensoru deviátorových napětí q, J 3 q = 2 {σ}t [P] {σ} = 3J (25) J = 1 6 [ (σ1 σ 2 ) 2 + (σ 1 σ 3 ) 2 + (σ 2 σ 3 ) 2] 1 2 (26) q = 1 2 [ (σ1 σ 2 ) 2 + (σ 1 σ 3 ) 2 + (σ 2 σ 3 ) 2] 1 2 (27)

DEFINICE INVARIANTNÍCH MÍR POLÍ NAPĚTÍ A DEFORMACE Ekvivalentní míry tensoru deviátorových deformací γ eq, E d [ ] 1 2 2 γ eq = 3 {e}t [Q] 1 2 {e} = 3 {ε}t [P] [Q] [P] {ε} (28) E d = 2{e} T [Q] 1 {e} = [ 2{ε} T [P] [Q] [P] {ε} ] 1 2 (29) 2 [ γ eq = (ε1 ε 2 ) 2 + (ε 1 ε 3 ) 2 + (ε 2 ε 3 ) 2] 1 2 (30) 3 E d = 2 [ (ε1 ε 2 ) 2 + (ε 1 ε 3 ) 2 + (ε 2 ε 3 ) 2] 1 2 (31) 6 E d = 3γ eq (32) Ekvivalentní míry polí napětí σ eq a deformace ε eq 3 σ eq = 2 {σ}t [Q] {σ} (33) 2 ε eq = 3 {ε}t [Q] {ε} (34) Hustota potenciální energie deformace W (skalár) W = 1 2 {σ}t {ε} = 1 2 σ eqε eq = 1 2 (σ mε v + qγ eq ) = 1 2 (σ mε v + JE d ) (35)

HLAVNÍ NAPĚTÍ Poloha materiálového bodu v prostoru hlavních napětí σ 1 = σ m + 2 ( J sin θ + 2π 3 3 ) (36) σ 2 = σ m + 2 J sin (θ) 3 σ 3 = σ m + 2 ( J sin θ 2π 3 3 σ 1 > σ 2 > σ 3 )

HLAVNÍ NAPĚTÍ Př. Určete hlavní napětí v materiálovém bodě za předpokladu rovinné deformace. Připomeňme: [σ] = σ x τ xy 0 τ xy σ y 0 0 0 σ z (37) [σ] = [T] T [σ] [T] (38) cos α sin α 0 [T] = sin α cos α 0 (39) 0 0 1 Aplikací transformační matice [T] (rov. (39)) v rovnici (38) obržíme σ x = σ x cos 2 α + σ y sin 2 α + τ xy sin 2α (40) σ y = σ x sin 2 α + σ y cos 2 α + τ xy sin 2α (41) ( τ xy = τ xy cos 2 α sin 2 α ) σ x σ y sin 2α 2 (42) σ z = σ z (43)

HLAVNÍ NAPĚTÍ Př. Určete hlavní napětí v materiálovém bodě za předpokladu rovinné deformace - pokračování Tensor hlavních napětí [σ] = [σ I ] σ 1 0 0 0 σ 2 0 0 0 σ 3 (44) Z pomdmínky τ xy = 0 (rov. 42) určíme úhel α, o který je nutno pootočit původní souřadnicovou soustavu x, y, z abychom přešli k hlavní souřadnicové soustavě. Připomeňme, že v rovinách, ke kterým jsou hlavní normálová napětí σ 1, sigma 2, σ 3 kolmá, jsou odpovídající smyková napětí rovna nule (analogie s hlavní centrální soustavou souřadnic). pokud τ xy = 0 pak tan 2α = 2τ xy σ x σ y (45) Dosazením do rovnic (40) a (41) obdržíme příslušná hlavní napětí. Z rovnice (41) je dále zřejmé, že σ z je zároveň jedno z hlavních napětí. Hlabnní napětí pak většinou řadíme tak, že σ 1 > σ 2 > σ 3.

ZÁKLADNÍ ROVNICE TEORIE PRUŽNOSTI Operátorová matice [ ] [ ] = x 0 0 0 z y 0 0 0 y z x 0 0 z y 0 x (46) Deformační varianta teorie pružnosti kde [D] je matice materiálové tuhosti, {X} je vektor objemových sil a {ε 0 } je vektor počátečních deformací. Poznámka 1: Je zřejmé, že tento postup vede na soustavu parciálních differenciálních rovnic v proměnných x, y pro neznámé prvky vektoru posunutí u, v. Prvky vektoru posunutí představují tzv. primární neznámé. Složky vektoru deformace jsou pak následně odvozeny z geometrických rovnic a složky vektoru napětí z rovnic fyzikálních.

FYZIKÁLNÍ ROVNICE - předpokládejme isotropní materiál 1. {σ} vs. {ε} {σ} = [D] ({ε} {ε 0 }) (47) 2. {s} vs. {e} {s} = 2G [Q] 1 ({e} {e 0 }) (48) 3. σ m vs. ε v (charakterizují objemové přetváření materiálu) σ m = K(ε v ε v0 ) (49) 3. J vs. E d a q vs. γ eq (charakterizují tvarové přetváření materiálu) J = GE d q = Gγ eq (50) E = Youngův modul pružnosti ν = Poissonovo číslo G = modul pružnosti ve smyku = K = objemový modul = E 2(1 + ν) E 3(1 2ν) = GE 3(3G E)

NELINEÁRNÍ - ELASTOPLASTICKÉ - CHOVÁNÍ MATERIÁLU V určitých bodech tělesa je materiál zatěžován nad počáteční mez kluzu. Vztah mezi napětím a deformací v takovém případě již není lineární a záleží na dráze zatěžování. Neplatí princip superpozice zatěžovacích stavů. Chování materiálu je často idealizováno bilineární závislostí mezi napětím a deformací. Obrázek 2: Idealizace skutečného chování materiálu Fyzikální rovnice {σ} = [D] ({ε} {ε p }) (51)

NELINEÁRNÍ - ELASTOPLASTICKÉ - CHOVÁNÍ MATERIÁLU Podmínka plasticity - plocha v prostoru napětí - tvoří hranici mezi elastickým a plastickým stavem napětí. Nelineární chování materiálů je obecně popsáno různými podmínkami plasticity. Pro kovy se uplatňuje tzv. von Misesova podmínka plasticity dána vztahem (stejné chování v tahu i tlaku, zanedbatelná objemová plastická deformace - pouze změna tvaru) F ({σ}, k) = J k = 0 (52) Parametr k určíme z jednoosé tahové zkoušky pevnosti. Za předpokladu jednoosé tahové zkoušky obržíme tensor napětí ve tvaru σ x = f y 0 0 [σ] = 0 0 0 (53) 0 0 0 Z rovnic (22) a (24) 1 pak přímo plyne k = f y / 3.

PRINCIP VIRTUÁLNÍCH POSUNUTÍ - OBECNÝ PRINCIP ROVNOVÁHY Poznamenejme, že program GEO MKP je založen na deformační variantě metody konečných prvků. Geometrické rovnice a kinematické okrajové podmínky jsou v takovém případě splněny přesně. Statické rovnice (podmínky rovnováhy) jsou splněny v průměru s určitou vahou ve smyslu pricipu virtuálních posunutí. Obrázek 3: Těleso Ω s hranicí Γ Kinematické okrajové podmínky {u} = {u} na Γ u (54) Statické okrajové podmínky [n] {σ} = {t} na Γ t (55) Princip virtuálních posunutí - obecný princip rovnováhy δ{u} T ([ ] {σ} + {X}) dω + δ{u} T ( [n] {σ} + {t}) dω = 0 (56) Γ t Ω

Platí pro všechny kinematicky přípustné složky virtuálního pole posunutí δ{u}. Použitím věty o integrování per partes (Greenova věta) a s uvážením δ{u} = {0} na Γ u lze předchozí rovnici převést na tvar δ{ε} T {σ} dω = δ{u} T {X} dω + δ{u} T {t} dγ (57) Ω Ω Γ t PVp: Virtuální práce sil vnitřních se rovná virtuální práci sil vnějších.